Hvordan Mars' første nybyggere vil skabe levesteder med jord

Når det kommer til mennesker, der besøger Mars og har brug for et sted at bo, har NASA en ambitiøs plan: At bruge råmaterialer fundet på planeten til at 3D-printe et habitat in situ. Det var emnet for 3D-Printed Habitat Challenge, som bureauet startede for et par år siden, og som inviterede teams af designere til at pitche deres bedste løsning på problemet.

Så hvordan forvandler vi en masse Mars-støv til et behageligt hjem? For at finde ud af det talte vi med to eksperter, der deltog i konkurrencen - arkitekten Trey Lane fra det vindende Team Zopherus og ingeniør Matthew Troemner fra Northwestern University-teamet - om hvordan man designer og bygger et habitat på en anden planet.

Denne artikel er en del af Livet på Mars, en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars.

Brug af lokale ressourcer

Når man planlægger en levested for Mars, den største begrænsning er, hvor meget materiale du kan bringe fra Jorden. Hvert ekstra gram masse, der er lastet på en raket, har en betydelig omkostning i form af brændstof, så det er bare ikke muligt at medbringe en bygnings værdi af byggematerialer. Derfor skal de første levesteder bygges ved hjælp af råmaterialer, der er tilgængelige lokalt på Mars.

Det er bestemt en anderledes måde at gribe byggeriet an på, som Trey Lane, arkitekt fra det konkurrencevindende Team Zopherus, fortalte os.

I sin tidlige forskning fandt Lane ikke meget i vejen for storstilede 3D-printprojekter ved hjælp af lokale materialer, så han henvendte sig til en uventet inspirationskilde: Insekter. "Vi begyndte at se på hvepse og edderkopper og biller," sagde han. "I hundreder af millioner af år har de i det væsentlige lavet 3D-print for at skabe levesteder." Insekter går ud i miljøet, find ressourcer, bearbejde dem til brugbart materiale og konstruere det mest praktiske levested for at imødekomme deres behov - ligesom det, Lane ønskede at gøre. "Vi fandt ærligt talt, at insekter er bedre modeller for, hvordan man konstruerer et 3D-printet, autonomt, lokalt ressourceudnyttelseshabitat, end mennesker er."

Hans team forestillede sig et habitat, der omfattede rovere, der ville gå ud i miljøet og indsamle materialer og derefter bringe dem tilbage til yderligere konstruktion. "På mange måder er det som en hveps, der går og tygger en lille smule lokale ressourcer og forvandler det til en papmache og bygger sin rede ud af det."

Der er fordele ved at anvende denne tilgang til byggeri, uanset om det er på Mars eller på Jorden. "Det faktum, at du bruger lokale ressourcer, gør en enorm forskel for rummissioner," sagde han. I stedet for at stole på lange forsyningskæder, kan du være meget mere effektiv med hensyn til materialer og energi. Derudover er 3D-printmetoden mere sikker end traditionel konstruktion. "Bygning er en risikoudsat industri... Så hvis du kan gøre visse aspekter af det selvstændigt, har du også en sikkerhedsfordel."

Det kan også være hurtigere og billigere at 3D-printe, og der er en grad af designfrihed, det muliggør. "Fra en arkitekts synspunkt er der en vis mængde frihed, der åbnes, når du 3D-printer," sagde han. Du behøver ikke at stole på masseproducerede materialer som to-til-fire, som har tendens til at være flade og lige, så du kan designe mere komplekse former. "Det frigør dig til at skabe et design, der er skræddersyet til løsningen."

Sådan 3D-printes et habitat

Når du tænker på 3D-print, tænker du sandsynligvis på en stationær maskine til udskrivning af emner på et par centimeters bredde. Når det kommer til 3D-print i infrastrukturskala, har du brug for meget større hardware, men det er konceptuelt ens proces - "ved at du ville bruge lignende software, ville du bruge lignende bevægelsesteknikker," som Matthew Troemner, Ph.D. kandidat ved Northwestern University og leder af universitetets Mars-habitatteam, forklarede.

Forskellen ligger i måden materiale aflejres på. Desktop 3D-printere bruger en smeltet aflejringsmetode, "som i det væsentlige er som en smeltet plastikstreng," sagde Troemner. Og selvom det er muligt at skalere dette op, til udskrivning på Mars, ønskede Troemners team at bruge en anden type materiale kaldet marscrete eller Mars beton. "Vi forblander materiale, skaber en slags pasta og ekstruderer det derefter", før vi lader det hærde eller hærde, forklarede han.

Marscrete fremstilles ved at blande Mars-regolit - det støvede jordlignende stof, der dækker planetens overflade - med svovl. Svovlbeton har været brugt på Jorden i årtier og er stærk og modstandsdygtig over for slid, hvilket gør den ideel til at bygge på Mars. Når det er blandet, kan det lægges ned i former for at danne et levested.

"Til Mars eller rumapplikationer ville du have en slags arm, der bevæger sig og afsætter materiale," sagde han. På jorden er arm-stil-mekanismer mindre populære end gantry-stil-mekanismer til udskrivning i stor skala, fordi de kun kan udskrive i en begrænset størrelse - i det væsentlige, rækkevidden af ​​armen. Men jo mere kompleks udskrivningshardwaren er, jo flere ting kan der gå galt. Der er en værdi i at holde tingene så enkle som muligt, når man bygger på en anden planet.

Troemners team foreslog at bruge en oppustelig trykbeholder - i det væsentlige en kæmpe, stærk ballon - som ville blive fyldt med luft for at danne en kuppelform, med en armmekanisme, der bruges til at trykke marscrete ovenpå. Trykbeholderen holder luft inde og stråling ude, og marscreten gør strukturen stærk og holdbar.

Udfordringerne ved at bygge på Mars

Mars er ugæstfri for både mennesker og bygninger. Til at begynde med er der temperatursvingninger på planeten, med temperaturer omkring ækvator fra høj på 70 grader Fahrenheit (21 grader Celsius) i løbet af dagen til minus 100 grader Fahrenheit (minus 73 Celsius) kl. nat. Det belaster byggematerialerne meget.

"Vi ønskede at have strukturer, der kunne udvide og trække sig sammen uafhængigt af hinanden," sagde Troemner, for at tillade udvidelse og sammentrækning over Mars' meget kolde nætter og relativt varme dage. Og strukturerne skal være stærke nok til at modstå opbygningen af ​​støv fra planetens hyppige støvstorme. "Hvis du har en bunke sand på halvdelen af ​​din struktur, har du en ubalanceret belastningstilstand, hvad vil det gøre?" forklarede han. Støvstorme kan også påvirke byggeriet, hvilket betyder, at der er behov for at tillade nedetid.

Derfor kom Troemners team på ideen om kupler. "Kuppler er en god form for den termiske udvidelse og også klitopbygningen," sagde han, og de fordeler belastninger meget godt. Bygherrer får faktisk også lidt hjælp af den reducerede tyngdekraft på Mars, "så du har brug for færre strukturelle elementer, du har brug for et lettere stykke udstyr."

Et stort spørgsmål er, hvordan man beskytter Mars-astronauter mod farlig stråling. "Mars regolith er egentlig ikke så fremragende til at beskytte mod den stråling, du ville opleve på overfladen," sagde Matthew. Kuppeldesignet ville have mellem en og tre fod materiale mellem mennesker inde i habitatet og det ydre miljø, men det ville ikke være nok for at beskytte astronauterne indeni.

Tilføjelse af svovl til regolitten for at lave marscrete hjælper, men holdet tilføjede også polyethylenfibre til blandingen, hvilket ville øge den afskærmende effekt. For fuldstændig afskærmning ville den indvendige oppustede struktur også have mere polyethylen. Denne polyethylen kunne kannibaliseres fra foringen af ​​det ubemandede rumfartøj, der ville transportere den første bølge af forsyninger til Mars.

Arkitekturens rolle

At designe et habitat handler dog ikke kun om tekniske udfordringer. Det handler også om at skabe et rum, hvor folk kan bo og arbejde komfortabelt i lang tid, potentielt mens de er under meget stress eller oplever dyb isolation.

Team Zopherus' habitat var opdelt i tre moduler: Et laboratorium for videnskabelige operationer, en fælles enhed og en besætning enhed til behov som sanitet og sovepladser, med mulighed for at flere enheder kan tilføjes baseret på mission behov.

De ønskede, at rummet skulle understøtte både de praktiske behov og de psykologiske behov hos astronauter, der opholder sig der, hvilket afspejlede sig i, hvordan de designede den fælles enhed. "Vi orienterede virkelig det rum omkring en stor åbning på det øverste niveau," sagde han. Et stort vindue gør det muligt for astronauter at se ud på overfladen af ​​Mars, mens de forbliver sikre og komfortable indeni. "Vi ønskede at maksimere astronauternes evne til at se deres omgivelser og forbinde med dem."

Det er vigtigt for at udføre opgaver som for eksempel at bruge en mekanisk arm til at flytte ting rundt udenfor. Men der er også en betydelig psykologisk fordel. "Hvis du er indelukket i omkring tusind kvadratmeter plads i et år på en planet, der ønsker at dræbe dig overalt, undtagen lige hvor du bor, er det virkelig gavnligt at føle, at du ikke er i en dåse," sagde han.

Holdet tilføjede også den hydroponiske have til dette rum både for at planter kan få lys og så astronauter, der gik nedenfor, ville nyde den psykologiske pause ved at føle, at de gik gennem en skovklædt plads. For Lane er det en nøgleopgave for en arkitekt at afbalancere dette kryds mellem praktiske og psykologiske behov. "Arkitekter grænseflade mellem menneskers behov og det fysiske miljø," sagde han. "Det fysiske miljø, som nogen er i, påvirker dem psykologisk og også operationelt."

Den måde, han tænkte på, var ikke i form af separate missionsbehov og psykologiske behov. I stedet ser han dem som forbundne. "Disse psykologiske behov er faktisk praktiske behov, når du har med et menneske at gøre," sagde han. "Fordi dine astronauters psykologi direkte påvirker deres præstationer på missionen."

At designe til gavn for astronauter psykologisk handler ikke om at gøre en bygning attraktiv for dens skyld, men om at finde den bedste løsning på et designproblem. Han påpegede elegancen og skønheden i mange aspekter af rumteknologi. "Der er virkelig noget smukt ved design, der passer godt til problemet," sagde han, svarende til den iboende skønhed i mange organiske former. "Følge de pragmatiske begrænsninger af designproblemet og tage hensyn til beboernes sundhed og wellness og psykologi resulterer i noget, der formentlig vil være mere æstetisk tiltalende design.”

"Du kan gå for langt i at lave noget smukt," sagde han. "Men at få det til at fungere godt for den person, der skal bebo det, er for mig en meget praktisk overvejelse."

Går under jorden

Begge eksperter var enige om, at fremtiden for Mars-habitatdesign havde mange muligheder, herunder potentielt at bevæge sig under overfladen. At bygge en underjordisk base har mange fordele, som at holde folk sikre mod stråling og støvstorme. Men det har også sine udfordringer.

Når det kommer til underjordisk byggeri, "Der er stadig så mange ukendte," sagde Troemner. Der er meget, vi ikke ved om sammensætningen af ​​Mars-undergrunden, og hvordan man konstruerer i det miljø. "I det mindste for et første skridt, hvis vi taler om den nærmeste fremtid, giver noget på overfladen mere mening, fordi der ikke er de samme niveauer af ukendte, som der ville være, når man graver ned."

Når vi har været på Mars i et stykke tid, kan det dog ændre sig. "Langsigtet, efter at du har skabt de første par indledende strukturer, har du haft flere rovere på overfladen, måske du har haft astronauter på overfladen, så er en underjordisk base måske vejen at gå i fremtiden,” sagde han.

Lane var enig. Han troede, at den første mission til Mars kunne involvere folk, der opholder sig i "ting på overfladen, som for det meste kom fra Jorden," som Apollo-missionerne til månen. Men for flere mennesker, der opholder sig i længere perioder, har du brug for mere permanent infrastruktur. "På det tidspunkt begynder du at gå under jorden eller 3D-printe dine levesteder," sagde han.

Til sidst forestillede Lane sig en bred vifte af habitater designet og bygget af forskellige rumbureauer eller virksomheder. "Vi kommer til at se mere variation i vores levesteder, som vi skaber, fordi vores behov vil være mere varierede, og vi bliver nødt til at rumme mere skala," sagde han. Ud fra den sort vil vi lære mere om, hvad den bedste måde at leve på en anden planet er, hvilket vil hjælpe os med at bygge endnu bedre levesteder i fremtiden. "Hvilket er noget, jeg er virkelig begejstret for, i de næste årtier, hvor mennesker begiver sig ud på månen og Mars."

Denne artikel er en del af Livet på Mars, en serie i 10 dele, der udforsker den banebrydende videnskab og teknologi, der vil give mennesker mulighed for at indtage Mars.

Redaktørens anbefalinger

• Kosmisk kommunikation: Hvordan de første mennesker på Mars vil kommunikere med Jorden
• Astropsykologi: Sådan forbliver du sund på Mars
• Kunstige atmosfærer: Hvordan vi bygger en base med åndbar luft på Mars
• Astrolandbrug: Hvordan vi dyrker afgrøder på Mars
• Marstøv er et stort problem for astronauter. Her er, hvordan NASA bekæmper det